王華輝　隋玉冰

【摘要】根據(jù)壓縮空氣后處理設備的原理和結構的分類，對目前工程中常見的干燥裝置原理和工作流程進行了歸納和總結，并對后處理設備的能耗和運行經(jīng)濟費用進行了比較，對于設計選用具有一定的參考意義。

【關鍵詞】 吸附 干燥設備 經(jīng)濟性比較

1.引言

壓縮空氣是機械行業(yè)中一種重要的動力能源。它被廣泛的應用在風動工具，氣動設備裝置中。壓縮空氣取自大氣，經(jīng)空壓機壓縮后，排出的壓縮空氣中含有大量的水分。機械行業(yè)對壓縮空氣中的水分含量均有一定的要求，空壓機后的壓縮空氣不能直接使用，而是需要經(jīng)過一定的干燥凈化處理，方能滿足使用要求。

根據(jù)干燥原理壓縮空氣干燥機一般可以分為冷凍式干燥機和吸附式干燥機。其中吸附式干燥機又分為無熱再生吸附式干燥機、鼓風加熱再生吸附式干燥機、微熱再生吸附式干燥機、壓縮熱再生吸附式干燥機等。這些干燥機原理和結構各不相同，對電、氣的能耗也各有高低，對壓縮空氣系統(tǒng)中常用干燥機的類型進行歸納總結和經(jīng)濟性比較，對我們的設計工作具有較大的參考意義。

2.冷凍式干燥機原理

冷凍式干燥裝置是利用制冷機通過制冷劑的蒸發(fā)，形成一個局部的低溫環(huán)境。由于制冷劑的蒸發(fā)器將溫度降低壓縮到壓縮空氣的露點溫度，從而使得空氣中的水分析出。

冷凍式干燥裝置流程比較簡單，主要是分為制冷劑的壓縮--冷凝--膨脹--蒸發(fā)--壓縮過程和壓縮空氣在蒸發(fā)器中的換熱過程。此處不再贅述，可以參考圖1。

冷凍式干燥機中沒有吸附劑，可以避免含油壓縮空氣對吸附劑的污染，所以冷凍式干燥機對于含油壓縮空氣具有良好的適應性。但是冷凍式干燥器由于受到析出水分發(fā)生冷凝而產(chǎn)生的冰堵的影響，所以壓力露點最低只能達到+2°C以上，冷凍式干燥機廣泛應用于壓縮空氣壓力露點要求在+3°C以上的領域。

3. 吸附式干燥機原理及工作流程

目前常用吸附式干燥機的種類，主要有：無熱再生吸附式干燥機、鼓風加熱再生式干燥機、微熱再生吸附式干燥機、壓縮熱再生吸附式干燥機。

3.1 無熱再生吸附式干燥機

無熱再生吸附式干燥機基于變壓吸附原理，利用吸附劑在高壓下吸附，低壓下脫吸的特性來實現(xiàn)壓縮空氣的干燥和吸附劑的再生。吸附或者解吸過程的發(fā)生取決于吸附劑表面與壓縮空氣中水蒸氣壓力的大小。當吸附劑表面的水蒸氣分壓力大于壓縮空氣中水蒸氣的分壓力時，發(fā)生的就是解吸過程；當吸附劑表面水蒸氣分壓力小于壓縮空氣中水蒸氣的分壓力時，發(fā)生的就是吸附過程。無熱再生吸附式干燥機一般采用四閥式結構。工作流程如圖2所示：干燥機開機后，干燥機A塔吸附，B塔再生。在預定的程序控制情況下，啟動切換閥1打開，2關閉；排放閥3打開，4關閉。濕空氣進入A塔，經(jīng)過吸附劑干燥后經(jīng)止回閥5進入下游管線，同時一部分壓縮空氣經(jīng)過減壓閥7減壓后進入B塔，其壓力降至接近于大氣壓，干燥的壓縮空氣進入B塔將吸附劑中的水分帶出，通過排放閥3將含水的氣體排到空氣中。B塔再生完成后，排放閥3關塔內(nèi)的壓力升高到與系統(tǒng)壓力相同，然后才能進行切換。當均壓過程完成后，A、B兩塔的狀態(tài)進行切換，實現(xiàn)A塔再生，B塔吸附。如此周期循環(huán)，實現(xiàn)壓縮空氣干燥的過程。

無熱再生吸附式干燥機結構簡單，用于再生的壓縮空氣取自干燥器后的潔凈空氣，壓力露點穩(wěn)定，不存在漂移現(xiàn)象。設備部件簡單，維修方便。無熱再生吸附式干燥機缺點在于其再生耗氣量比較大，一般氣耗占比14%左右。

3.2 鼓風加熱再生吸附式干燥機

鼓風加熱再生吸附式干燥機利用變溫吸附原理，吸附劑在常溫下實現(xiàn)水分的吸附，在高溫下實現(xiàn)吸附劑的再生。用于吸附劑再生的壓縮空氣來自大氣，經(jīng)過鼓風機將大氣引入系統(tǒng)，加熱后進入再生塔進行再生。工作流程：干燥機開機后，A塔吸附，B塔再生，在預定的程序控制情況下，啟動切換閥2打開，1關閉；排放閥3打開，4關閉。濕空氣進入A塔，經(jīng)過吸附劑干燥后經(jīng)止回閥進入下游管線。B塔進行的是再生過程，再生過程分為三個階段：加熱--冷吹--均壓。鼓風機自環(huán)境中吸氣，經(jīng)電加熱器加熱后，達到再生需要的溫度，

進入B塔進行吸附劑的再生，再生結束后，電加熱器停止加熱，對高溫的吸附劑進行吹冷，隨著吹冷的進行，吸附劑逐漸恢復活性，由于大氣中的水分含量較多，為避免吸附劑吸附環(huán)境空氣中的水分，吹冷后期，一般均采用成品壓縮空氣進行后期的吹冷。吹冷完成后，排放閥3關閉，B塔壓力回復到正常的壓力水平，這樣在雙塔切換時，壓力不會產(chǎn)生波動。如此周期循環(huán)，實現(xiàn)壓縮空氣干燥的過程。

鼓風加熱再生吸附式干燥機再生所用空氣全部來自于大氣，且在冷吹初期所用壓縮空氣亦來自大氣，因此，成品氣耗約為3%，相比于無熱再生吸附式干燥機14%的氣耗大大減少。鼓風加熱再生過程中再生溫度比較高（150～300°C），再生加熱耗電量高，綜合能耗也相對較高；如果冷吹過程中時間不夠的話，出口壓縮空氣露點可能不滿足工藝需求。

3.3 微熱再生吸附式干燥機

用于再生的單位體積壓縮空氣經(jīng)加熱后能夠吸附更多的水分，微熱再生吸附式干燥機正是利用了這一特點。微熱再生吸附式干燥機結構上與無熱再生吸附式干燥機類似，僅比無熱再生吸附式干燥機多增加了一個電加熱器。干燥器再生溫度遠小于吸附劑變溫吸附所需的最低解析溫度[1]，在本質上“微熱再生”仍屬于變壓吸附的范圍。

工作流程：干燥機開機后，A塔吸附，B塔再生，在預定的程序控制情況下，啟動切換閥2打開，1關閉；排放閥3打開，4關閉。濕空氣進入A塔，經(jīng)過吸附劑干燥后經(jīng)止回閥進入下游管線，同時一部分壓縮空氣經(jīng)過減壓閥7減壓后首先經(jīng)過電加熱器，經(jīng)加熱到設定的溫度后進B塔進行吸附劑的再生。潮濕的壓縮空氣通過排放閥3和消聲器排入大氣中。這一階段被稱為“加熱階段“。當加熱再生持續(xù)一段時間后，出口再生溫度達到設定值，再生氣加熱器停止加熱。未加熱的干燥空氣進入B塔對吸附劑進行冷卻，使其恢復到吸附時的溫度，這一階段稱為”冷吹階段“。冷吹結束后，B塔進行均壓，最后完成整個再生過程。經(jīng)過切換后，A塔再生，B塔吸附，完成整個循環(huán)過程。

微熱再生吸附式干燥機綜合了鼓風加熱和無熱再生的優(yōu)點，利用了由于吸附劑具有在低溫高壓下能夠吸收空氣中的水分，在高溫低壓下能夠解吸水分的特點，相比于無熱再生耗氣量較少，約為7%；相比于鼓風加熱再生吸附式干燥機，耗電量較少。微熱再生干燥器的電加熱功率約為0.5KW/m3[2]。

3.4 壓縮熱再生式干燥機

空壓機在壓縮過程中，輸入的電能僅有小部分轉化為壓縮空氣的勢能，其中大部分都轉化為熱量，這部分熱量大都需要通過冷卻器冷卻來除去。而干燥劑再生過程需要大量的熱量，壓縮熱再生吸附式干燥機基于這一原理，利用空壓機出口高溫的空氣來進行干燥劑的再生。

圖5 壓縮熱再生吸附式干燥機流程

壓縮熱再生的流程比較復雜，這里僅介紹一般情況下的壓縮熱再生式干燥機的工作過程，壓縮熱再生的工作過程 主要分為：

（1）第一階段：干燥機開機后，A塔吸附，B塔加熱再生，高溫壓縮空氣（約125°C）經(jīng)進氣閥1進入干燥器B塔，對B塔內(nèi)的吸附劑進行加熱再生，吸收水分后的壓縮空氣經(jīng)過閥10、閥8進入后冷卻器Ⅱ，將壓縮空氣冷卻至45°C以下，冷凝脫水后的壓縮空氣經(jīng)閥12進入干燥器A塔進行吸附，經(jīng)干燥后的壓縮空氣經(jīng)閥6輸出，得到凈化的壓縮空氣。（2）第二階段：A塔吸附，B塔冷吹和再生。高溫的壓縮空氣首先進入后冷卻器Ⅰ將壓縮空氣溫度冷卻至45 ℃以下，經(jīng)冷凝脫水后的壓縮空氣經(jīng)閥7和閥10進入B塔并對其進行冷吹，壓縮空氣在B塔吸收熱量后經(jīng)閥3進入后冷卻器Ⅱ，將壓縮空氣冷卻至45°C以下，然后經(jīng)氣水分離器脫水，脫水后的壓縮空氣經(jīng)閥12進入A塔進行吸附，經(jīng)干燥后的壓縮空氣經(jīng)閥6輸出，得到凈化的壓縮空氣。（3）第三階段：A塔吸附，B塔自冷。B塔經(jīng)壓縮空氣初步冷卻后，進入自冷階段（有些廠家是利用干燥后的壓縮空氣進行吹冷，自耗氣量為1%），壓縮機排氣（約125°C）依次經(jīng)過后冷卻器Ⅰ，后冷卻器Ⅱ，經(jīng)過冷凝脫水后進入A塔，經(jīng)吸附后，干燥凈化的壓縮空氣輸出。

壓縮熱再生吸附式干燥機充分利用了空壓機排氣中的高溫熱量，其干燥機無自耗氣（或者1%），大大節(jié)省了能耗。由于含油壓縮空氣會引起吸附劑中毒，因此，壓縮熱再生式干燥機不適用于噴油壓縮機，而只能是無油空壓機。另外，如果空壓機排氣溫度過低，吸附劑將不能完全再生，結果是出口的壓縮空氣露點難以達到要求。

4、 壓縮空氣干燥裝置的運行能耗比較

運行能耗：為了便于壓縮空氣干燥裝置運行能耗分析，我們從某廠家樣本上選取了處理量40Nm3/min，各種類型干燥機的電耗和氣耗。干燥機的能耗計算見表1，其相對比例大小見圖7所示。

結論1：根據(jù)圖6，我們可以看出，無熱再生吸干機綜合能耗最高，壓縮熱再生吸附式干燥機能耗最低。

結論2：根據(jù)圖7比較，我們可以看出，對于壓縮空氣后處理設備來說，設備固定費用投資在10年費用中的占比不大，對于壓力露點要求不高（+3℃以上），我們應優(yōu)先選用冷凍式干燥機，費用比較低。對于壓力露點要求在-20℃以下的情況，無油機應優(yōu)先選用壓縮熱再生吸附式干燥機，含油壓縮空氣選擇微熱再生吸附式干燥機。

參考文獻：

【1】李申. 《壓縮空氣凈化原理及設備》. 浙江大學出版社.2005. P323

【2】趙斌 吸附式壓縮空氣干燥機的對比分析[J]，玻璃，2011年第8期